Category: 73

Кривенько, конечно, и не очень аккуратно.

Чтобы не было криво, и выглядело профессионально, надо вместе с платами заказывать трафарет для намазывания паяльной пасты и использовать расстановщик. Но при моих “объёмах” это сильно излишняя роскошь. Лишь бы работало (а оно работает), а недостаточно эстетичную расстановку и пайку электронных деталей я уж как-нибудь переживу =)

Кстати, был удивлён. Вот эта крохотная коричневая деталька типоразмера 0805 (2.03mm × 1.27mm) с наименованием C3 — керамический конденсатор на 50 вольт, на 100 нанофарад. И в таком размере делают конденсаторы аж до 47 микрофарад, правда, уже не на 50 вольт, а на 6.3. На 50 вольт в таком типоразмере можно максимум получить 1 микрофарад. Но всё равно дохера! Для такой-то мелкой вещи. И это не предел. Я не собираюсь использовать что-то меньше 0805 — это уже за пределами комфортной работы, глаза не видят такую мелочёвку. Один раз распаивал 0603 (1.6mm × 0.8mm) — было уже конкретно неудобно. Но вообще конденсаторы есть в корпусах 008004 (0.25mm × 0.13mm — человек вообще с такой мелочью сможет работать? или только роботопайка?), ёмкостью аж на 10 нанофарад, но да, на низкое напряжение в 6.3V. Но мне, правда, не надо такого — ни задач нету таких, ни опыта, ни инструмента.

Купил китайский тестер TACKLife DM01M. Потом почитал тематических форумов и побежал раскручивать корпус, и смотреть, что у него внутри.

Проблема у дешёвых тестеров, собственно, ровно одна — безопасность пользователя. В тестерах она обычно обеспечивается как минимум плавкими предохранителями. Беда в том, что изготовители дешёвой китайчатины часто ставят в тестеры обыкновенные стеклянные полые предохранители. Тонкий момент тут в том, что если пользователь по ошибке решит вместо напряжения в сети померять, например, сколько в сети ампер, или какое у неё сопротивление (для непосвящённых — это даёт короткое замыкание), то внутри полого стеклянного предохранителя во время разрыва цепи может возникнуть электрическая дуга, которая там будет до выгорания щупов тестера. Входной автомат среднестатистического американского дома имеет номинал в двести ампер — что будет с вашими руками, в которых зажат кусок пластика, внутри которого бушуют двести ампер, предлагаю представить самостоятельно.

Как правильно? Правильно ставить керамические предохранители. Внутри них не воздух, а песок, который не даёт возникнуть электрической дуге.

Ещё правильнее — дополнять защиту термисторами и варисторами. Они будут гасить возможные всплески напряжения, на которые не успеет среагировать плавкий предохранитель.

Итого, внутри моего тестера оказалось вот что:

Это стандартнейший тестер на контроллере DTM0660, которых развелось как у собаки блох. Первым делом отмечу наличие довольно крупных керамических предохранителей (помечены лиловым) — это очень хороший знак. Тут, правда, стоит безымянная китайчатина, а не бренд типа Литтелфуза или Бассмана, но никто не запрещает, в принципе, купить правильные предохранители и поменять их самому (это и полых стеклянных касается — выкинуть их КЕМ, и воткнуть нормальные). Вторым отмечу присутствие термисторов (зелёненькое). Ещё бы варисторов доставили, было бы совсем хорошо.

Единственное, что немного напрягло — так это как близко дорожка, куда втыкается щуп, подходит к другой дорожке на плате (красненькое). Там от силы 2mm. По нормативному документу UL-840 (российский аналог — ГОСТ 23751-86) это примерно 500-600 вольт, поверхность незагрязняемая. Но тестер по паспорту может измерять до 1000 вольт (постоянного тока). В такую цепь я бы уже совать этот тестер не стал. Но учитывая, что я собираюсь использовать этот тестер максимум до 480 вольт, будет норм. Не загоримся 🙂

Я обычно заказываю изготовление плат в США, у компании OSH Park. Изготавливают они шустро, и у них бесплатная доставка внутри США. Платы при этом исключительно качественные, и все посадочные площадки обработаны иммерсионным золотом (ENIG, вай-вай, дорохо-бохато), паять одно удовольствие. А ещё платы не зелёные, а такие красивые тёмно-фиолетовые (Perfect Purple PCBs).

Одно только плохо — OSH Park берёт по 5 долларов за квадратный дюйм двухслойного текстолита (6.5 cm²). В эту цены входит три экземпляра плат. Поэтому любой проект, который я у них заказываю — это всегда борьба за площадь. В результате, конечно, всё получается круто и компактно (особенно помогает использование деталей для поверхностного монтажа), но плотность монтажа платы довольно высокая — иной раз разведение дорожек становится настоящей головоломкой (мне, правда, нравится этим заниматься).

Попробовал заказать у китайцев, JCLPCB (им дал положительный отзыв DI HALT). И какая-то фигня получается, вот что я вам скажу. Плата у меня была маленькая, 19x48mm (0.75×1.9 дюймов). OSH Park зарядил 7 долларов 20 центов за три экземпляра. JLCPCB берёт всего два доллара за десять экземпляров плат размером менее 100x100mm (15.5 дюйма), но при этом самая дешёвая доставка у них стоит 18 рублей с копейками! Итого получается двадцатка с лихером, и при этом платы там хуже — никакого иммерсионного золота, а обычное лужение (HASL). Не сказать, конечно, что иммерсионное золото мне прям НАДО, но оно удобнее тем, что плата может пролежать без дела год, и нихера с ней не будет — площадки не окислятся — она будет паяться как свежая. А если расщедриться и заказать иммерсионное золото у JLCPCB, это прибавляет 18 долларов к цене самой платы. Итого получаем вообще какую-то порнографию в 20 долларов за 10 штук без учёта доставки — дык это уже вполне сравнимо по цене с американским OSH Park в пересчёте на штучку. А доставка за 18 долларов окончательно убивает всю идею на корню.

В-общем, не получилось у меня “импортозамещения наоборот”. ВНЕЗАПНО, производство в США оказалось тупо дешевле. Может быть, для каких-то специальных случаев, типа большого заказа или особо крупных плат, это себя оправдывает. А для домашнего хобби — нахер не надо. Да и у OSH Park для крупных заказов от 100 квадратных дюймов двухслойного текстолита (~650cm²) и выше есть скидки до цены в 1 доллар за дюйм. При этом всё опять же, с иммерсионным золотом и бесплатной доставкой. Китайцам тупо не угнаться.

Ой, блин… жуткое говно. Жуткое. Начиная с кривого интерфейса делания самой схемотехники, до идиотских проблем с отображением. Опенсорсный софт, кибенемат! В нём хороши только две вещи — для него есть туева хуча библиотек сторонних производителей, и есть 3D-рендеринг для полученной платы. Стиснув зубы, таки доразвёл все дорожки и доделал плату под усилитель:

Но в следующий раз больше им пользоваться не буду — постоянные матюги того не стоят.

Дорисовал схему усилителя для наушников. Схема, в-общем, самая классическая — операционный усилитель и двухтактный выходной каскад на рабоче-крестьянских силовых транзисторах TIP29/TIP30. Берём любую книжку по электронике, например, того же Горовица-Хилла, и там всё можно найти.

Схема питается от блока питания ±15V, и её можно использовать не только для наушников. Если немного пересчитать выходной каскад, она вполне может потянуть небольшой громкоговоритель, желательно, импедансом повыше (от 16 ом), и может в таком режиме выдавать около 2 ватт. Это, кстати, только кажется, что мало. При громкоговорителе с нормальной чувствительностью этого вполне достаточно, чтобы домашние начали орать, чтобы сделал потише =)

В конечном счёте максимальная выдаваемая данным усилителем мощность упирается в основном в ограничения операционного усилителя OPA134 и простого выходного каскада — питание максимум от ±18 вольт, выходное напряжение на ±2 вольта меньше напряжения питания, максимальный выдаваемый ОУ ток — 34 миллиампера, плюс падение в 0.7 вольт на каждом выходном транзисторе — и получается, что сильно больше этих самых двух ватт не выжмешь. Ну, если речь о том, чтобы слушать качественный сигнал.

Немного о самой схеме (это, скорее, заметки для себя, чтобы не забыть, как это всё рассчитывать). Коэффициент усиления обуславливается соотношением номиналов резисторов R2 и R1 в цепи отрицательной обратной связи и равен 1 + R2/R1, т.е. при данных номиналах он составляет около 10. Резистор R2 я сделаю переменным, крутилку выведу наружу и помечу как Gain. Конденсаторы C1 и C2 дополнительно стабилизируют питание (в окончательной схеме я их ещё дополнительно шунтирую мелкими керамическими или полиэстеровыми конденсаторами). Конденсатор C3 закорачивает наводки радиочастот на землю, чтобы не усиливать посторонние сигналы. Выходной тракт самый обычный — диоды D1 и D2 практически любые маломощные кремниевые, их задача только в том, чтобы загнать транзисторы Q1 и Q2 в линейный режим, иначе при переходе сигнала через ноль будут искажения. Не надо использовать мощные выпрямительные, германиевые или диоды Шоттки — у них падение напряжения будет другим, чем на базе у кремниевых транзисторов. Вдобавок их надо монтировать в контакте с самими транзисторами, на теплопроводящей пасте — таким образом будет обеспечена стабильность при нагреве. Значения резисторов R3 и R4 рассчитываются исходя из максимального тока, который будет выдаваться транзисторами. Я исходил из максимальной мощности в 1 ватт, для нагрузки в 32 ома (представленной резистором R5). По закону Ома это ток около 32 миллиампер. Делим это на коэффициент усиления по току транзисторов в 30 (мыслим консервативно). Получаем около 9k ом. Мыслим, опять же, консервативно, и ставим 8k2. Выходные резисторы R6 и R7 опять же, для дополнительной стабильности. Ну, и конденсатор C4 приводит коэффициент усиления схемы к нулю для сигналов постоянного тока.

При симуляции усилителя параметры КНИ очень впечатляющие:

А теперь попробуйте повторить это же самое на лампах, ага. Всё чисто ламповое (не гибридное) с КНИ менее 0.1% есть либо наглое враньё, либо замеряно в каких-то спецусловиях, не имеющих ничего общего с реальным миром.

Конечно, понятно, что это только симуляция, и она не учитывает, например, тепловой шум от резисторов (что тоже корёжит сигнал). Но по крайней мере, это служит хорошей аттестацией того, что дизайн как минимум, неплох.

Одно мне непонятно в программе LTSpice — её очень странный подход к расчёту тепловыделения. Она продолжает упорно считать, что при максимальной громкости транзистор Q1 будет рассеивать более 8 ватт. При этом напряжение, выдаваемое усилителем на нагрузку, составляет 20 вольт от гребня до гребня, или около 7 вольт среднеквадратичных. Соответственно, это ток в 220 миллиампер или 110 миллиампер на каждый транзистор. На транзисторе высаживается около 11.5 вольт, и его тепловыделение будет около 1.3 ватт (ток в базе я не буду учитывать — там копейки). Откуда восемь ватт — непонятно.

В заключение скажу, что для наушников данный усилитель — мягко говоря, очень избыточен. Чувствительность моих 950х Сонек составляет 106 децибел на милливатт. Т.е. выдав на них 10 милливатт я получу громкость как на концерте монстров рока, а с мощностью в 1 ватт я почти с гарантией оглохну =)))

Осталось запилить схему в том же Eagle, запулить печатную плату, собрать, и вперёд. Надеюсь, найду время.

Что-то у меня крокодил не ловится. Пытаюсь просимулировать схему с питанием операционника от 12 вольт. Если делать схему с виртуальной землёй на делителе напряжения — то всё работает. А вот схема со смещением (как хочется мне) не получается хоть ты тресни. В лучшем случае получается услабитель вместо усилителя =)

Ни у кого нет под рукой схемы с конкретными номиналами под определённое напряжение? Мне думается, у меня не работает потому что при схеме со смещением расчёт коэффициента усиления дополнительно усложняется, и отсюда получается ерунда.

Припадаю опять к тихим хобби, типа электроники. В очередной раз интересуюсь звуковыми схемами, в том числе усилителями. Если раньше меня больше интересовало изготовление схем вообще (и тот самый предусилитель для микрофона я таки собрал, и он прослужил мне верой и правдой много лет) и овладевание общей теорией, в этот раз меня интересует изготовление схем КАЧЕСТВЕННЫХ. В понятие качества вкладывается понятно какой смысл — низкие параметры КНИ. Ну, хотя бы ниже 0.5% получить бы для начала.

Так вот, что архиудобно, так это бесплатная программа LTSpice. Помимо того, что в ней можно нарисовать саму схему, её можно просимулировать, и анализировать полученное через обратное преобразование Фурье, рассчитав КНИ и показав наглядно гармоники.

Симулируется, понятное дело, теоретический максимум. Реальные компоненты хуже виртуальных. Но это и полезно — чтобы понять, чего можно выжать из схемы в теории.

Вот та самая схема предусилителя, что я спаял ранее, по сути своей оказалась говном. Вот она:

Это рабоче-крестьянский усилитель с общим эмиттером плюс эмиттерный повторитель. Ну, любую книжку по электронике можно раскрыть, и там эта схема будет.

Так вот если её просимулировать, подав на вход сигнал 1 килогерц, то FFT полученного сигнала выглядит довольно порнографично:

Этих вот иголок на 2, 3, 4 и далее килогерц (гармоник) быть не должно в хорошем усилителе.

Если добавить SPICE-директиву .four, LTSpice любезно посчитает КНИ. И цифры отражают, в-общем, то, что видно на картинке:

КНИ аж три процента с гаком, почти как у лучших ламповых усилителей =)) Шучу, конечно, но вообще-то факты действительно таковы, что КНИ 0.5% является для ламповой техники очень хорошим показателем, а уж КНИ 0.08%, до которого транзисторная техника дошла ещё в 1970х, как, например, в усилителе Техникс SE-9600, для ламповой техники остаётся недостижимой вершиной. Нет, ну, достижимой, конечно. Но за очень конские деньги. В недорогой советской ламповой технике КНИ в 3% был обычным делом. Слушать это, тем не менее, было можно, так как характер искажений у ламповой техники обычно немного другой, не такой заметный.

Однако, вернёмся к тупому усилителю. Почему данная схема искажает? В первую очередь из-за нелинейности транзистора Q1. Дело в том, что у транзистора есть собственное сопротивление, и оно составляет примерно 25 / I_c в миллиамперах. Т.е. если ток в цепи коллектора (I_c) составляет 1 миллиампер, сопротивление транзистора будет равно 25 омам. С возрастанием тока оно падает, с уменьшением — растёт. Таким образом, коэффициент усиления транзистора получается разным просто на усилении банальной синусоиды: в тот момент, когда синусоида проходит через ноль, коэффициент усиления минимален, а на гребне синусоиды — максимален. Получается ерунда. Именно поэтому в книжках по электронике говорят “не делайте схему с заземлённым эмиттером”, потому что это переменное сопротивление таким образом становится наиболее заметным. С данным эффектом можно бороться, вкрячив в цепь эмиттера резистор, сравнительно большой по сравнению с внутренним сопротивлением транзистора. Ну, как на схеме, собственно, и сделано. Является ли при этом такая схема отрицательной обратной связью или мы просто исправляем одну кривизну другой кривизной — мнения расходятся. Горовиц-Хилл говорят, что да, это таки отрицательная обратная связь. Но в любом случае, помогает это не сильно.

В-общем, схему надо будет доработать, до полноценной схемы с отрицательной обратной связью. В результате я бы хотел сделать усилитель для наушников. Это проще, так как усилитель не надо делать очень мощным, 1 ватт для наушников — это OVERДОХРЕНА. И такое у меня подозрение, что скорее всего саму усилительную часть я сделаю на банальном операционнике Бурр-Браун, а выходной каскад — классический тяни-толкай на парах инженера Шиклаи.

Таки доделал програмку на Питоне, рисующую спектр сигнала и автоматически считающую КНИ+шум и ОСШ. Попутно узнал, как водится, много нового. За что люблю Питон — так это за то, что программа занимает менее 40 строк. На тех же Сях я бы усрался это рисовать. Даже на Шарпах бы усрался.

Программе скармливается звуковой файл с сигналом частотой в 1 kHz, сгенерированный программой Adobe Audition (в девичестве Syntrillium CoolEdit). Но можно взять и бесплатный Audacity, результат будет точно такой же. Программа читает файл, берёт значение с наибольшим пиком и даёт ему обозначение в 0 децибел. Остальное, соответственно, отрицательные величины. Подсчитывается среднеквадратичное значение всего, что не сигнал, и делится на уровень сигнала. Получается КНИ+шум (THD+N). Потом считаем ОСШ (отношение сигнал/шум, SNR) в децибелах: 20log₁₀(сигнал / шум)

Вот так выглядит анализ звукового файла с сигналом 1 kHz, разрешением 16-бит, частота дискретизации — 48 kHz:

Это весьма близко к теоретическому идеалу — в идеале, разрешение 16 бит может дать ОСШ в 96.3 dB. Но у меня не идеал, так как я использую чуть менее, чем 16 бит — ибо если генерировать синусоиду с уровнем в 0 dB (т.е. по-максимуму), то почему-то уже лезут нелинейные искажения. Так что я создаю её с уровнем в -0.1 dB, минимальным отступлением от максимума, которое мне даёт делать Audition. В любом случае, 94 dB — это дохрена.

КНИ в 2 тысячных процента это тоже прекрасно. Без приборов этого никто никогда не увидит, искажения начинают быть слышимыми, когда уже вплотную приближаются к 1%, хотя это сильно зависит от того, что именно слушаем: если чистые синусоиды, то искажения начинают быть заметными гораздо раньше, а если в качестве тестового материала брать альбомы фифтисентов и прочих, то там можно и 10% искажений не услышать. Что не означает, что аппаратура, дающая КНИ в 0.05%, ничем не лучше аппаратуры, дающей 0.1% — она лучше; просто в реальности ушами этого ни один живой человек не услышит.

А теперь — снова пнём формат MP3 🙂 Никто как-то вот не задумывается о том, что они слушают в тысячедолларовых деревянных наушниках, подключённых к внешним усилителям класса А за семьсот долларов, обещающим КНИ в 0.00045%

А между тем это реалии MP3 с битрейтом в 192 килобита/сек:

А это — 320 килобит/сек:

Получше, конечно, чем 192 kbps, но всё равно проседание качества очень налицо — происходит серьёзное ужимание динамического диапазона (я в курсе, что ДД и ОСШ это не вполне одно и то же, но они связаны). На некотором материале (например, классическая музыка, обладающая большим динамическим диапазоном) это может быть очень заметно. На 192 килобитах так это точно заметно, тихая партия скрипки сопровождается скрежетом артефактов сжатия с потерями — собственноушно, так сказать, слышал. Дальнейшее увеличение битрейта после 320 килобит/с, кстати, уже ничего не даёт — ОСШ так и остаётся в районе 55 децибел.

Ещё надо будет попинать винилофильство и прочее плёнколожество, но это в другой раз 🙂